1、 第 1 页 共 30 页 第 1 章 绪论 1.1 开关电源的产生与发展 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源 1。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。 早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等 电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种
2、电压和电流的需求。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 Mos 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高 到 150200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线
3、性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显著当然这包括了功率 元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一 2。 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用
4、电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。 随着技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司。 Power Integration Inc 开发的第 2 页 共 30 页 TOP Switch 系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。现在有很多的设计方法就是用 TOP Sw
5、itch 的第三代产品 TOP249Y 开发变频器用多路输出开关电源 3。 开关电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（ PWM）技术的发展 ， PWM 开关电源问世，它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性电源的效率只有 30 40。因此，用开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。随着超大规模集成（ ultra-large-scale-integrated-U
6、LSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源 提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。 1.2 开关电源的研究现状 国际发展状况： 1955 年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯来进行自激振荡的晶体管直流变换器。 20 世纪 60 年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压、大电流的功率开关晶体管出了，从此直流变化器就可直接由工频电网
7、电压经整流、滤波后输入供电，体积大、重量重、效率低的工频降压变压器终于给甩掉，这迅速扩大了晶体管直流变压器的 应用范围，并在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。 20 世纪 70 年代以后，与这种技术有关的高频率、高反压，大电流的功率开关晶体管，高频率、高温电容、高反压、快恢复肖特基二极管，高频变压器磁芯材料等元器件不断地被研制，生产，使无工频变压器开关稳压电源不断得完善和快速发展 6。 目前正在克服的困难，第一：从事开关稳压电源研究和生产的技术人员正致力于研制出转换效率更高，体积更小，重量更轻的开关变压器或者通过其他途径和方法来取代电路中的变压器。第二：进一步研制适应开关稳压电源高频率
8、工作的有管元器件和 PCB 电 路。第三：进一步提高它的输出稳定度和降低它第 3 页 共 30 页 的输出纹波电压，扩大它的适用范围。第四：寻求新的驱动方式和研制新的功率开关管。 面对难题所出现的新突破和新进展，第一：谐振式开关稳压电源，从根本上解决了由于功率管上的功耗大而导致开关稳压电源转换效率低的问题，和由于功率开关上的电流和电压应力大而导致开关电源可靠性和稳定性低的问题。第二：具有零流关断和零压导通的复合功率开关管 IGBT 既具 MOSFT 输入驱动所需功率非常小的输入特性，又具有 GTR 导通以后管压降非常小的输出特性。这两个问题的解决，是的开关稳压电源可以拓展到 大功率和超大功率的
9、应用场合。 国内发展情况： 我国晶体管直流工频变换器和开关稳压电源的设计，研制和生产开始于 20世纪 60 年代初期，到 20 世纪 60 年代中期进入实用阶段。 20 世纪 70 年代初期开始设计、研制和生产无工频降压变换器的开关稳压电源， 1974 年研制成功我国第一台 10KHz、输出直流电压为 5V 的无工频降压变换器的开关稳压电源，近 10 年来，我国的许多研究所、工厂和高等院校纷纷研制出多种型号和多种用途的工作频率在 20K 左右、输出功率在 1000W 以下的无工频降压变换器的开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信 、电视机等方面。 20 世纪 80 年代初期开始试制工作频率 1
10、00-200KHz、无工频降压变压器的高频开关稳压电源， 20世纪 90 年代初期试制成功，目前正在走向实用和进一步提高工作频率阶段，但是技术上与一些先进的国家相比仍有巨大的差距。由于我国的半导体与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频降压器的开关稳压电源电路中的关键元器件，如功率开关晶体管、高频开关变压器磁性材料、储能电感、快恢复续流二极管大部分仍然通过国外进口。因此我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的问题就是要提高我国 的半导体技术和工艺 5。 1.3 开关电源的特点 (1)效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一
11、般在 80% 90%，高的可达 90%以上； (2)重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5，体积也大大缩小了； (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270 V 内变化时，输出电压的变化在 2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率； 第 4 页 共 30 页 (4)安全可靠。在开关电源中，由 于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20 kHz 以上，因此滤波元件的数值可以
12、大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性 4。 第 5 页 共 30 页 第 2 章 系统总体设计及主要部分电路 2.1 系统总体设计 2.1.1 主要技术参数 输入电压： AC220V 输入频率 ： 50Hz 输入电压范围： AC176V-264V 输出电压、电流： DC5V， 7A 输出功率： 35W 2.1.2 总体设计 根据上述要求选用单端反激式电路 ,该电路的特点是 :电路简单 ,设计体积小且成本低。单端反激式电路由输入滤波电路、电流型
13、脉宽调制电路、功率传递电路、 RCD 缓冲器、输出整流滤波电路、误检测电路及信号传递电路等组成。 开关电源的系统框图如图 2-1 所示，输入电压为 AC220V、 50Hz 的交流电经过桥式整流电路、滤波电路得到一直流电压，再通过控制电路中功率开关管不断的导通和关断对直流电压斩波，和高频 变压器 T 的降压作用得到频率为 100KHz的矩形波电压，然后经整流滤波后得到直流输出电压。为了使输出电压稳定，用了 TL431 取样，将误差经光耦合放大，通过 PWM 来控制开关管的导通与截止时间（即占空比），使得输出电压保持稳定 8。 图 2-1 开关电源的系统框图 2.2 单端反激式变换器 第 6 页
14、 共 30 页 T1V T 1VD1C1反馈控制P W M 驱动Ui在此功率转换电路中，采用单端反激式变换器，如图 2-2 所示，它由开关管VT1、高频变压器 T1、整流管 VD1、滤波电容 C1、及反馈控制和 PWM 驱动等组成。单端是因为其高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端。按 变压器的副边开关整流器二极管的接线方式不同，单端变换器可为两种：正激式与反激式。原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反（开关管导通时，副边的整流二极管截止）称为单端反激式。当原边加到高电平激励脉冲使 VT1 导通，直流输入高频变压器的原边两端，此时因副边是上负下正，使整流二极管截止；当驱
15、动脉冲为低电平使 VT1 截止，原边两端极性反向，使副边绕组两端变为上正下负，则整流二极管被正向导通，此后变压器副边的磁能向负载释放。因此单端反激式变换器只是在开关管 VT1 导通时储存能量，当它截止时才向负载释放，故高频变压器在开 关过程中，既起变压隔离作用，又是电感储能元件。 图 2-2 单端反激式变换器原理图 单端反激式变换器通常采用加气隙来增大可工作的磁场强度 H，减少剩余磁感应强度；当反激式变换器处于连续工作模式时，气隙可有效防止磁芯饱和，因而可增大电源的输出功率，减少变压器磁芯损耗，进一步提高开关频率。 2.3 双环电流型 PWM控制器 2.3.1双环电流型 PWM控制器的工作原理
16、 电流型 PWM是在电压型 PWM的基础上发展起来的 ,它在原有的电压环上增加了电流反馈环节 ,构成电压电流双闭环控制。随着电流型 PWM控制器被 越来越广泛地应用 ,正确掌握使用方法可以节约大量设计时间 ,并能取得较好的设计效果 ,因而是使用这一类控制器必须注意的问题。 从图 2-3可以看出 ,电流型控制器有两个控制闭合环路 :一个是输出电压反馈输入到误差放大器 ,与基准电压比较后产生误差电压 ;另一个是变压器初级电感线圈中电流在 R 产生的电压与误差电压进行比较 ,产生调制脉冲的宽度 ,使得误差信号对电感的峰值电流起着实际的控制作用。 第 7 页 共 30 页 图 2-3 电流型 PWM
17、控制器原理图 其工作过程如下 :若输入电压下降 ,整流后的直流电压下降 ,经电感延迟使输出 电压下降 ,经误差放大器延迟 , Vea 上升 ,占空比变化 ,从而维持输出电压不变 ,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降 ,电感电流的斜率 di/dt 下降 ,导致斜坡电压推迟到达 Vea ,使 PWM 占空比加大 ,起到调整输出电压的作用。由于既对电压又对电流起控制作用 ,所以控制效果较好 ,得到广泛应用。 2.3.2 双环电流型 PWM控制器的特点 (1)由于输入电压 Vi的变化即反映为电感电流的变化，不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度（电流控制环），因而使得系统的电压调整率非常
18、好，可达到 0.01%/V，能够与 线性稳压器相比。 (2)由于双环控制系统内在的快速响应和高稳定性，反馈回路的增益较高，不会造成稳定性与增益的矛盾，使输出电压有很高的精度。 (3)由于电阻 R上感应出峰值电感电流，只要 R上电压达到 1V， PWM控制器就立即关闭，形成逐个脉冲限流电路，使得在任何输入电压和负载瞬态变化时，功率开关管的峰值电流被控制在一定范围内，在过载和短路时对主开关管起到有效保护。 (4)误差放大器用于控制，由于负载变化造成的输出电压变化，使得当负载减小时电压升高的幅度大大减小，明显改善了负载调整率。 (5)由于系统的内环是一个良 好的受控电流放大器，所以把电流取样信号转变
19、成的电压信号和一个公共电压误差放大器的输出信号相比较，就可以实现并联均流，因而系统并联较易实现。 231UASRQTQ1RD11 N 34L1CV C C时钟基准电压V o u tE / AV o u t取样电阻V c c :电源电压 o ut :输出123A第 8 页 共 30 页 2.4 UCC3802开关电源集成控制器 无工频变压器式集成开关电源分脉宽调制式 (PWM ) 和脉频调制式 (PFM ) 两大类。前者是对脉冲宽度进行调制 , 后者则是对脉冲频率进行调制 , 均可实现稳压目的。目前 , 开关电源大多采用 PWM 方式 , 也有少数用 PFM 方式 ,后者要求滤波电路能在宽频带下
20、工作。表 2-1 列出目前国内外生产的脉宽调制器和脉频调制器典型产品的分类。 本文介绍的 UCC3802是美国 Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点： (1)管脚数量少，外围电路简单，价格低廉； (2)电压调整率很好； (3)负载调整率明显改善； (4)频响特性好，稳定幅度大 ; (5)具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。因此它是目前比较理想的新型的脉宽调制器。 表 2-1 脉宽调制器和脉频调制器产品分类 类 型 特 点 国外型号 最高开 关频率 maxf /Hz 输出最大 峰值
21、电流 PMI /A 国产 型号 脉宽调制器 单端输出 中速型 UCC3802 1M 1 UC3842 500k 1 CW 3842 TEA 2018 500k 0.5 CW 2018 LPC1094 500k 1. 2 单端输出 高速型 UC1825 1M 1. 5 UC1848 1M 1. 5 双端输出 中速型 MC3520 UC3520 100k 0. 12 CW 3520 TL 494 UC494A 300k 0. 22 CW 494 脉频调制器 双端输出 高速型 UC1864 1M 12 MC34066 1M 12 2.4.1 UCC3802的原理及技术指标 UCC3802是新一代电流
22、型 PWM开关电源集成控制器，它是在 UC3842 的基础上发展起来的 ,采用 BiCMOS 晶片工艺 ,相比 UC3842 的 Bipolar 工艺 ,IC 消耗第 9 页 共 30 页 12348765U C C 38 0 2C O M PFBCSR t / C tV r e fV c cO U TG N D( a ) 管脚配置C O M P ：放大器补偿 FB ：电压反馈CS ：电流反馈 R T / C T :定时电阻、电容GND: 电源地 R E F ：基准电压的功率小 ,电路传输时间短 ,可靠性高。该系列产品控制器外接元件少、设计简单、成本低 ,且电源性 能和可靠性可大幅度提高 ,是
23、 UC3842 系列的理想换代产品。 2.4.2 UCC3802的构成与原理 UCC3802为 8脚双列直插式封装形式，如图 2-4所示，它内部主要由 5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、 PWM锁存器、高增益 E/A误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET管的大电流推挽输出电路等构成。 图 2-4 UCC3802的管脚配置及内部等效电路 电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱 动信号，控制功率开关管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流
24、测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较 器 的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占3 2A1 3 . 5 V1V基准电压5V前沿滤波软启动误差放大器2 .5 V时钟锁存器651238 47（ b ） 内部等效电路231U ? A123A第 10 页 共 30 页 空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比 D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。 由等效电路可知，反馈通道由电压误 差放大器 E/A、 PWM 比较器和锁存器及驱动电路组成
25、。受时钟脉冲触发 ,功率管开通 ,电感电流上升 ,但电流上升到由E/A 控制的门限时 ,PWM 比较器翻转 ,锁存器复位 ,驱动脉冲关断功率管 ,电感电流下降 ,直到下一个时钟脉冲到来 ,锁存器置位 ,开关管重新开通。输入电压变化时 ,电感电流的上升斜率变化 ,输出占空改变以抑制输入电压的变化 ,这是一个前馈调节过程 ,响应极快 ;负载扰动则是通过 E/A 改变电流门限值进行调节的。 UCC3802芯片引脚名称见表 2-2。 表 2-2 芯片引脚名 代号 名称 1 COMP 内部误差放 大器输出端 2 FB 内部集成误差放大器反向输入端 3 CS 集成故障保护比较器同向输入端 4 RC 内部振
26、荡器定时电阻及电容连接端 5 GND 整个芯片的工作参考地端 6 OUT PWM脉冲输出端 7 CCV 整个芯片工作电源端 8 REFV 内部产生的高精度参考电压输出端 2.4.3 UCC3802的主要技术指标 （ 1） 100uA超低启动电流 。 （ 2） 500uA超低工作电流 。 （ 3）对电流检测信号进行前沿（ 100ns）数字滤波 。 （ 4）软启动功能 。 （ 5）故障 5ms延时再启动 。 （ 6）图腾柱输出，峰值电流可达 1A。 （ 7）振荡器最高振荡频率可达 1MHz。 （ 8）参考电压精度为 1%。 （ 9） 电流检测到输出响应时间 70ns。 （ 10）电压误差放大器具有 2MHz的频带宽度 。 （ 11）低结温、故障应力小 14。
